太阳能在我们全球追求清洁能源和可持续发展的过程中已变得不可或缺。如今，大约95%的太阳能电池是使用晶体硅（c-Si）制造的。大多数商业设计采用厚度约为160–170μm的c-Si光活性层。然而，由于仅硅就占每块太阳能电池板成本的近一半，专家们相信下一代c-Si太阳能电池会薄得多。
不幸的是，薄c-Si太阳能电池的转换效率仍然远落后于厚工业电池。这是因为薄c-Si电池的最佳设计策略只会最大化单个参数，如短路电流密度、开路电压或填充因子。目前的方法都不能同时改善这些参数，所有这些参数对于实现高效率都很重要。
在这种背景下，中国杭州电子大学的一个研究团队制定了一项新策略，以显著提高薄c-Si太阳能电池的效率。他们的研究发表在《能源光子杂志》上，代表着硅太阳能电池技术领域的重大突破。
所提出的策略优化了一些关键的光学和电学特性，该团队认为这些特性是厚c-Si太阳能电池和薄c-Si太阳能细胞转换效率差异的原因。利用商业软件程序，他们对各种薄电池设计进行了光学模拟。通过使用太阳能电池的进一步实验，研究人员得出了一种创新的制造方法，该方法比传统技术具有几个优势。
该团队没有使用通常用于制造厚c-Si层的硅锭切割方法，而是采用了层转移方法。他们用氢氟酸在厚硅片上蚀刻小孔。该多孔层作为衬底生长20μm薄的单晶硅层，可以很容易地分离并转移到柔性不锈钢衬底上。
为了增强薄硅层的光学和电学性能，研究人员使用等离子体增强化学气相沉积在两侧沉积了多个金属纳米膜——分别在面向太阳能电池正面和背面的侧面沉积了SiO2/SiNx/SiOx层和Al2O3/SiNx/SiOx膜，它们具有金字塔结构。
前SiNx/SiOx层和后SiOx/SiNx层分别增加了硅层在更短和更长波长下的光吸收。这反过来又增强了短路电流密度，短路电流密度是衡量太阳能电池可以产生和收集的电荷载流子数量的指标。与用作参考的标准太阳能电池相比，电流密度从34.3增加到38.2mA/cm2。
此外，SiO2和Al2O3层提供了高表面钝化，使所产生的电荷载流子的复合和损失最小化。这导致了更高的开路电压——衡量太阳能电池产生的最大电压。当使用所提出的设计时，它从参考电池中的632 mV提高到684 mV。因此，太阳能电池的填充系数从76.2%增加到80.8%，该系数是太阳能电池运行与理论最大效率接近程度的指标。
正如模拟和实验所证实的那样，所提出的策略将转换效率从16.5%提高到21.1%，显著提高了4.6%（与参考电池相比，提高了约28%）。这使得薄c-Si太阳能电池的效率接近于工业上的厚太阳能电池，目前的效率为24%。
JPE副主编、希腊帕特拉斯大学凝聚态物理学教授Leonidas Palilis评论道：“总的来说，这项研究的发现为实现使用更少硅的高性能薄晶体硅太阳能电池提供了一种新的方法——对于20μm的电池，大约是给定面板尺寸上160μm厚电池所需硅量的八分之一。”
由于成本降低和太阳能电池板制造能力的扩大，这一进步可能有助于硅太阳能发电技术的更广泛、更具成本效益的采用。
